生长在长江边的小伙伴们，一定都在江边见到过江豚的雕像。前些天，可爱的江豚终于又双双叕出现在了武汉的江面上。

江豚 （图片来源：微博宜昌发布）

江豚经过数百万年的时间，进化出强大的生物声纳，能够利用回声定位系统在水下复杂环境实现探测和跟踪，而我们的舰船就在这方面就显得逊色很多了。

水下有多复杂，都0202年了人工声纳还不准确？因为……声波在水下是弯的！

 定位，从扔球开始

在黑暗中，如果不用眼睛看，怎么才能知道前方是否有目标，目标又在哪个方向呢？

你可以尝试用“扔球法”：各个方向都扔一个球，如果球没有弹回来，说明（探测距离内）该方向没有目标。如果球弹回来，就说明该方向有目标。

（图片来源：作者绘制）

又怎么才能确定目标在什么位置呢？

已知扔球的时间，以及球弹回来的时间，这个时延差就是双倍距离（球走一个来回）所用的时间，若已知球的速度，那么就可以确定目标的距离。结合目标的方向，就可以确定目标的位置。

（图片来源：作者绘制）

在水下，最常见的“球”是声波（声纳），人们最初使用声纳时，认为声波是沿直线传播的。

探测，早晚“看”的不一样

上个世纪二三十年代，人们发现一个奇怪的现象：声纳探测器早上还能检测到远处的静止目标，一过中午，同一套设备对同一目标的探测性能就下降，甚至探不到了。

这种回声探测设备，每到下午性能就下降的现象，被称为午后效应（Afternoon  Effect）。人们甚至一度怀疑是操作人员下午精神不集中，导致的操作失误。

（图片来源：作者绘制）

另外，当人们沿着声纳测到的方向，去找目标时，即使是性能最好的早上，也总是有极大的误差。

（图片来源：作者绘制）

后来，人们成功研制了深度温度计，发现海水的温度不是均匀分布的。例如在浅海区域，越靠近海面，温度越高。就这样，人们开始从海水中声波的传播特性上，研究“午后效应”背后的原因。

午后效应，声波原来会拐弯？

原来，以往认为声波沿直线传播，是建立在声速处处相等的前提下。而海水的温度变化，会使得不同深度的声速不同，产生声速分布（Sound Velocity Profile），往往认为海水符合分层介质模型，即海水可被分为多个水平层，同一水平层内声速相同。

经典的分层介质模型中，对于浅海最常见声速分布的是负梯度（Negative Gradient）模型，即深度越大，声速越小。

（图片来源：作者绘制）

虽然一直都在海水中，但声波从一种声速层传播至另一种声速层时，会发生折射（Refraction）现象。而且折射的规律与光从空气传播至水中相同，均满足Snell折射定律（Law of Refraction）。（声波和电磁波的差异巨大，这里仅指折射定律）

大家可以回忆一下在水面“折了”的筷子，就是由于光在空气中的传播速度高（疏介质，Thinner Medium），而在于水中的传播速度低（密介质，Denser Medium）。

不断的折射造成声波在水中不是沿直线传播，而是一条曲线。类似于用光线表示用光波的传播轨迹，我们往往用声线（Sound Ray）表示声波的传播轨迹。而根据Snell折射定律，可以证明：声波总是弯向声速减小的方向。

（图片来源：作者绘制）

这也就解释了，为什么沿着声纳“看”到的方向去找目标，总是有很大的误差（人家声线明明走的是曲线，你非得按直线找，误差小算我输）。

在对海水声速分布进一步研究后，人们发现，声速不仅和温度有关，还和压强、盐度等因素有密切关系。同时，负梯度声速分布往往只出现在浅海区域，完整海洋中最常见的声速分布曲线如下图：

西太平洋附近声速分布模型（图片来源：作者绘制）

声影区，变化的声纳盲区

我们将不经过任何反射的弯曲声线称为直达声线（Direct Sound Ray）。在浅海中，由于海面的存在，直达声线的传播空间是有界的，因此存在一个与海面恰好相切的临界声线（Critical Sound Ray）。

在临界声线区域内的目标，声纳总有声线可以探测到，而这个区域外的目标，声线不经过反射就永远探测不到。这就像人的盲区一样（除非有个镜子反射视线，不然看不到杯子后面的钥匙），这个区域被称为声影区（Acoustic Shadow Zone）。

（图片来源：作者绘制）

声影区的范围，主要是由声纳的位置以及声速分布决定。若声纳位置固定，当声速分布改变，声影区的范围也将随之改变。

回到“午后效应”：早上的海水温度较低，声速符合负梯度分布，只要目标没有在声影区，就总有声线可以探测到。而中午过后，由于海面一直受到太阳辐射，因此温度升高，声速分布改变，甚至可能变成正梯度（Positive Gradient）分布。

（图片来源：作者绘制）

声速分布的改变将导致声影区的改变，早上未落入声影区、可以探测到的目标，下午便可能落入新的声速分布下的声影区。

（图片来源：作者绘制）

这也就解释了“午后效应”：由于海水声速分布的改变，导致早上能探测到的目标，下午却落入了声影区，因此信号显著减弱，甚至完全消失。

应用：全新的目标定位

我们知道了海水中声速不是恒定的，因此声线是弯曲的，根据声波的传播特性（Propagation Property），就可以进行全新的目标定位。发现规律，修正规律，利用规律，人类的科技就是这样迭代更新的。但这时，仍需要注意以下几点。

（1）声影区目标的探测

我们知道了直达声线的传播特性，但当目标处于声影区时，依旧无法探测。这时，就可以利用反射声线（Reflected Sound Ray）对目标进行探测。

声线在海水中的传播，往往是有界的，最常见的界面是海面、海底。虽然直达声线无法到达声影区，但界面反射后的声线却可以。

（图片来源：作者绘制）

虽然反射声线能够探到目标，但由于其受到界面影响、传播路程也较长，其性能不太稳定。因此影区目标的定位，依旧需要进一步的发展。

（2）运动目标的探测

回顾“扔球法”探测目标。实际上，由于环境噪声（Environmental Noise）的存在，弹回来是一堆球，且并不能直接看出球是什么时候回来的。这时，我们是通过观测接收到的球，看哪一时刻的球最像“扔出去”的球，即认为是传播时间。

（图片来源：作者绘制）

然而，如果目标是运动的，由于多普勒效应（Doppler Effect）的存在，回波的波形会发生拉伸或压缩，导致变形，从而找不到“最像”的球，即搜索不到传播时间。

（图片来源：作者绘制）

这时，我们往往猜测目标可能的速度，根据速度将“扔出去”的球做几组不同的拉伸，然后分别“找最像”。这样，技能确定传播时间，还能确定目标的速度（决定了拉伸程度）。

（图片来源：作者绘制）

“找最像”的操作叫做互相关（Cross Correlation）， “拉伸”的操作叫做频率补偿（Frequency Compensation），整个过程叫做脉冲压缩（Pulse Compression）或者匹配滤波（Matched Filtering）。

这种方法是针对无折射、直线传播的信号提出的，但依旧适用于水下有折射、弯曲传播的声信号，这是由于折射不改变信号频率。这类似于，红（频率低）筷子插到水里，不能变成紫（频率高）筷子。

最后，给出上面提到的西太平洋海域完整声速分布的声线图。图中一条条的曲线就是直达声线和反射声线，而没有声线的空白区域，就是声影区。

西太平洋附近声线图 （图片来源：作者绘制）

参考文献：

[1] 刘伯胜, 雷家煜. 水声学原理(第二版)[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社.

本文由科普中国融合创作出品，望墨溢（西北工业大学航海学院）制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

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